Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.793

ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ПОВЕРХНЕВОГО ЗМІЦНЕННЯ ВІДПОВІДАЛЬНИХ

ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Зенкін Микола Анатолійович

Харків - 2005

АНОТАЦІЯ

Зенкін М.А. Технологічні основи забезпечення якості поверхневого зміцнення відповідальних деталей машин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2005.

В дисертації вирішено актуальну науково-технічну проблему обґрунтованого вибору технології нанесення і методів контролю властивостей покриттів, що дозволяє гарантовано забезпечити цілеспрямоване якісне поверхневе зміцнення відповідальних деталей машин, які працюють у складних експлуатаційних умовах. Отримано нові теоретичні та експериментальні дані, які дозволили: установити якісні і кількісні параметри впливу технології нанесення і складу багатокомпонентних газотермічних покриттів на властивості поверхневого шару; оцінити вплив технологічних режимів процесу нанесення детонаційних покриттів і термоциклічних навантажень на якісні характеристики деталей; оцінити вплив параметрів вакуум-плазмової технології нанесення дискретних покриттів на їх фізико-механічні характеристики; установити взаємозв'язок впливу режимів електроіскрового легування з трибологічними властивостями покриттів.

Ключові слова: технологія нанесення покриттів, детонаційні покриття, жаростійкі покриття, структурно-фазові неоднорідності, зносостійкість, комплексна оцінка якості.

АННОТАЦИЯ

Зенкин Н.А. Технологические основы обеспечения качества поверхностного упрочнения ответственных деталей машин. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.08. - технология машиностроения. Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2005.

Решена актуальная научно-техническая проблема обоснованного выбора технологии нанесения и методов контроля свойств покрытий, позволяющая гарантировано обеспечить целенаправленное качественное поверхностное упрочнение ответственных деталей машин, работающих в сложных эксплуатационных условиях.

На основе установленных закономерностей влияния технологии нанесения различных покрытий на физико-механические характеристики поверхностного слоя научно обоснована методология выбора технологий нанесения покрытий на ответственные детали машин при их изготовлении и восстановлении.

Для поддержки принятия решений относительно выбора технологии нанесения и материала покрытия, а также последующей оценки его качества разработан алгоритм, порядок действий которого включает установление класса детали, условий ее эксплуатации, определение критических свойств дефектности покрытия, а также соответствия проектируемого покрытия предъявляемым техническим, экономическим, экологическим требованиям. Использование предложенного алгоритма позволяет учесть все факторы, влияющие на выбор материала и технологию нанесения покрытия, уменьшить количество ошибок при выборе, выбрать покрытие из максимально возможного списка покрытий-кандидатов, а также выполнить сравнительный анализ покрытий по совокупности свойств.

Получены новые теоретические и экспериментальные данные, которые позволили: установить влияние технологии нанесения и состава многокомпонентных газотермических покрытий на свойства поверхностного слоя; оценить влияние технологических режимов процесса нанесения детонационных покрытий и термоциклических нагрузок на качественные характеристики деталей; оценить влияние параметров вакуум-плазменной технологии нанесения дискретных покрытий на их физико-механические характеристики; установить взаимосвязь влияния режимов электроискрового легирования с трибологическими свойствами покрытий. Установленные взаимозависимости открывают перспективу для успешного решения научно-технической проблемы технологического обеспечения эксплуатационных характеристик ответственных деталей через интегрированный показатель влияния технологического управления качеством поверхности на стадии выполнения операций нанесения покрытий.

На основе теоретических и экспериментальных данных предложена конструкция и технология нанесения теплозащитных покрытий на ответственные детали из стали и сплавов титана, при этом установлено, что выбор оптимальной толщины внешнего, промежуточного слоев и пластичных подслоев оказывает влияние на долговечность созданной композиции. Предложены технологические решения, которые позволили оптимизировать технологические режимы процесса детонационного нанесения жаростойких покрытий на детали из титановых сплавов, что дало возможность увеличить прочностные свойства покрытий и снизить себестоимость их изготовления. Применение теплозащитных покрытий, полученных по предлагаемой технологии нанесения, на деталях из титановых сплавов позволяет значительно (в 2,1...3,0 раза) увеличить их ресурс.

Аналитически установлена и экспериментально подтверждена возможность эффективного использования для оценки качества нанесенных упрочняющих защитных покрытий новых методов и аппаратуры, позволяющих получить численные значения локальных неоднородностей напряженно-деформированного состояния тонких поверхностных слоев деталей, оценить износостойкость покрытий в условиях нестационарного трения, получить амплитудные зависимости внутреннего трения, оценить электропроводность переходных слоев, получить зависимости для расчета модуля упругости и коэффициента Пуассона, а также оценить свойства покрытий в условиях термоциклирования. Проведенные экспериментальные исследования позволили разработать и предложить нормативную документацию, регламентирующую порядок проведения комплексной оценки качества жаростойких покрытий.

Апробированные в производственных условиях предложенные в работе методы экономического обоснования выбора технологии поверхностного упрочнения позволяют, в отличие от существующих, выбирать технологию с минимальной себестоимостью процесса. Такой подход позволяет при внедрении в производство технологии нанесения покрытий получить значительный экономический эффект.

Ключевые слова: технология нанесения покрытий, детонационные покрытия, жаростойкие покрытия, структурно-фазовые неоднородности, износостойкость, комплексная оценка качества.

ABSTRACT

Zenkin M.A. Technological bases of providing of the surface strengthening quality of responsible details of machines. - Manuscript.

Dissertation on competition of scientific degree of the doctor of engineering sciences by speciality 05.02.08 - technology of machine building. National technical university “Kharkov polytechnic institute”, Kharkov, 2005.

An actual scientific and technical problem of the well-founded choice of coatings applying technologies and methods of coatings properties control, allowing assured to secure the purposeful high-quality surface strengthening of responsible details of machines, working in the difficult operating terms, is decided. New theoretical and experimental data which allow: set high-quality and quantitative parameters of influencing of application technology and composition of multi component gas thermic coatings on properties of strengthening layer; to estimate influencing of the technological modes of application process of detonation coatings and temperature cycling loading on the high-quality characteristic of details; to estimate influencing of vakuum-plasma technology parameters of discrete coatings applying on their phusical and mechanical characteristics; to set interdependence of elektro-spark alloying modes influencing on the tribology properties of coatings.

Key words: technology of coatings application, detonation coatings, heat-resistant coatings, structural-phase heterogeneity, wear resistance, complex estimation of quality.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі інженерної механіки Київського національного університету технологій та дизайну Міністерства освіти і науки України, м.Київ

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України Піпа Борис Федорович, Київський національний університет технологій та дизайну, професор кафедри інженерної механіки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки, Лауреат Державної премії України Мовшович Олександр Якович, Державне підприємство “Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування” Мінпромполітики України, заступник директора з наукової роботи

доктор технічних наук, професор Клименко Сергій Анатолійович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля Національної академії наук України (м. Київ), завідувач відділу технологічного управління якістю обробки поверхні

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Тарельник В'ячеслав Борисович, Сумський національний аграрний університет Міністерства аграрної політики України, завідувач кафедри механізації виробничих процесів

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра технології машинобудування, м. Київ.

Захист відбудеться “23” ___червня _ 2005 року о _14⁰⁰_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м.Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м.Харків, вул. Фрунзе, 21.

Автореферат розісланий “21_” _травня_ 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Пермяков О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема нанесення покриттів із заданими властивостями та оцінка їх якості є однією з найбільш актуальних в технології машинобудування. Значна кількість технологічних прийомів нанесення покриттів, різноманіття галузей застосування і широкий спектр існуючих матеріалів роблять непростим рішення щодо вибору покриття і технології його нанесення. Ефективне використання зміцнювальних захисних покриттів при виготовленні і ремонті деталей є однією з найважливіших народногосподарських задач, успішне вирішення якої дозволить різко зменшити витрати легованих сталей і сплавів, підвищити якість і довговічність роботи машин та механізмів.

Більшість способів поверхневого зміцнення слід розглядати як альтернативні. Той самий матеріал покриття може бути нанесений кількома способами. При цьому істотно можуть розрізнятися як властивості покриття, так і витрати на його нанесення. Умови нанесення можуть у широких межах змінювати комплекс механічних властивостей матеріалу основи так, що експлуатаційні характеристики деталі з покриттям суттєво залежатимуть від способу і технології поверхневого зміцнення.

Особливий інтерес представляє можливість застосування покриттів для підвищення надійності деталей, що працюють в екстремальних умовах (підвищеного температурного впливу, великих швидкостей, забруднень тощо). Однак, дані з цього питання, що наведені в різних джерелах носять розрізнений, а інколи і суперечливий характер, та не можуть бути використані для раціонального вибору технології нанесення покриттів. У зв'язку з цим, проведення теоретичних і експериментальних досліджень з оцінки впливу різних технологічних факторів на якість поверхневого шару представляє безсумнівний науковий і практичний інтерес.

Оцінка стану існуючої проблеми технологічного забезпечення якості поверхневого зміцнення дозволяє констатувати, що на даний час не існує задовільної системи інформаційної підтримки методики вибору технології нанесення покриттів, яка враховувала б всю сукупність їхніх властивостей і умов отримання. Очевидно також, що покриття необхідно розглядати як систему, яка включає не тільки умови виготовлення та експлуатації, але й наявність екологічних, економічних, організаційних і інших факторів.

Через великий обсяг інформації, яку необхідно переробити і врахувати при виборі того чи іншого покриття і методів їхнього нанесення, тільки розробка формалізованої методики вибору покриття на основі моделей, що описують структурний зв'язок між технологічними параметрами і необхідними властивостями покриттів, дозволить ще на етапі проектування, за допомогою програмного забезпечення, вибрати раціональний технологічний процес.

Аналіз вітчизняної і зарубіжної науково-технічної літератури показав, що для оцінки властивостей захисних покриттів існує велика кількість методів випробувань, використання яких, проте, у значній мірі обмежено недосконалістю існуючих методик і нормативної документації. Так, зокрема, відсутність достовірної комплексної інформації про поведінку покриттів в умовах термоциклічних і знакозмінних навантажень, фретинг-корозії тощо не дозволяє на сучасному рівні вирішувати проблеми вибору покриттів і технології їх нанесення. У зв'язку з цим очевидно, що використання нових наукових підходів, пов'язаних з удосконаленням традиційних і створенням нових методів випробувань, які дозволили б не тільки підвищити вірогідність результатів, але і скоротити кількість експериментів, останнім часом, набуває особливої актуальності.

У зв'язку з вище викладеним, розробка наукових основ технологічного забезпечення якості поверхневого зміцнення відповідальних деталей машин є важливою науково-прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалася у відповідності до пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки “Ресурсозберігаючі та енергоефективні технології машинобудування” (Постанова Кабінету Міністрів України № 1716 від 24.12.2001 р. “Про затвердження переліку державних наукових і науково-технічних програм з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки на 2002-2006 роки”) і затвердженої програми наукової діяльності Київського національного університету технологій та дизайну в рамках тем: “Дослідження нормативної бази галузевих стандартів та прирівняних до них інших нормативних документів у галузі машинобудування” (тема 448 ГД, номер держреєстрації 0103U003847, 2002-2003 р.), “Новітні технології та ресурсо-зберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” (держбюджетна тема 6.19 ДБ №0100U003055, 2000-2002 р. відповідно до плану НДР Міністерства освіти і науки України), “Обладнання, системи управління технологічними процесами та контролю якості виробів” (держбюджетна тема № Н/н 2, 1999-2002 р.), “Наукові основи комплексних комп'ютерних систем проектування та виготовлення продукції в легкій промисловості” (держбюджетна тема 6.16 ДБ № 0199U003013, 1999-2001 р.).

Мета роботи полягає в розробці науково обґрунтованого підходу до вибору технології нанесення покриття, що забезпечує цілеспрямоване одержання заданих якісних параметрів поверхневого шару деталей машин, які працюють у складних експлуатаційних умовах.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі:

1. Запропонувати методологію технологічного забезпечення якості поверхне-вого зміцнення деталей машин, які працюють в умовах знакозмінних навантажень, термоциклування, фретинг-корозії та зносу. Для вирішення цієї задачі необхідно:

- установити закономірності впливу технології нанесення зміцнювальних захисних покриттів на фізико-механічні характеристики поверхневого шару, і на цій основі створити методологію спрямованого вибору процесу нанесення покриттів;

- розробити науково-методологічні підходи до створення системи вибору технологічних режимів нанесення покриттів і наступної оцінки їх якості, використовуючи при цьому базу знань про існуючі методи зміцнення та галузі їх застосування; покриття машина експлуатаційний деталь

- розробити принципи формування бази даних класів деталей, що зміцнюються нанесенням покриттів, і створити структурно-логічну модель, яка описує взаємо-зв'язок експлуатаційних впливів і поверхневого шару деталей різного призначення;

- запропонувати методологію спрямованого вибору технологій нанесення покриттів на деталі машин, які працюють у складних експлуатаційних умовах, засновану на детермінованих і стохастичних моделях, в яких враховані як фізико-механічні параметри одержуваного поверхневого шару, так і економічні фактори. Це дозволить конструктору і технологу ще на етапі проектування цілеспрямовано обирати матеріал покриття і технологію його нанесення.

Обґрунтувати і розробити наукові принципи, що дозволяють ефективно використовувати нові технологічні рішення й апаратурне забезпечення для контролю якості покриттів в умовах, максимально наближених до експлуатаційних. При цьому необхідно:

- науково обґрунтувати необхідність створення нормативної документації, яка регламентує порядок проведення випробувань жаростійких покриттів, отриманих методами газотермічного напилення;

- запропонувати методологію використання енергетичного методу контролю, який дозволяє на основі оцінки локальних неоднорідностей напружено-деформованого стану тонких поверхневих шарів деталей з покриттями визначити й оцінити стадію їхнього передруйнування;

- розробити методологію, технологічне та апаратурне забезпечення для контролю ізотермічної і термоциклічної повзучості, модуля пружності і коефіцієнта Пуассона зразків з покриттями;

- розробити апаратурне забезпечення і технологію визначення електропровідності перехідних шарів і зносостійкості покриттів, що працюють у складних експлуатаційних умовах.

Теоретично обґрунтувати, узагальнити і запропонувати для практичного використання технологічні рішення, які дозволяють, на базі використання методів газотермічного напилення і електроіскрового легування, одержувати зносо-, корозійно- і термостійкі покриття. Для цього необхідно:

- установити взаємозв'язок технології нанесення композиційних газотермічних покриттів на основі високодисперсних оксидів із фізико-механічними характе-ристиками поверхневого шару;

- установити взаємозв'язок впливу хімічного складу електроду і режимів электроіскрового легування при нанесенні дискретних покриттів на трибологічні властивості одержуваного поверхневого шару;

- оцінити вплив технологічних параметрів нанесення газополуменевих детонаційних покриттів на фізико-механічні і трибологічні властивості деталей, призначених для роботи в умовах термоциклічних навантажень і фретинг-корозії;

- установити можливість використання технологічних рішень, які дозволяють знизити залишкові напруження в тонких зносостійких покриттях на основі титанових сплавів і одержати залежності мікродеформації поверхневих шарів жаростійких сплавів з покриттям від температури нагрівання і часу витримки.

Об'єктом досліджень є технології виготовлення і ремонту деталей та вузлів машин з використанням покриттів.

Предмет досліджень - закономірності вибору та удосконалення технології формування і контролю якості поверхневого шару деталей із захисними зміцнювальними покриттями.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є системний підхід до вивчення досліджуваного об'єкту - технологій виготовлення і ремонту деталей та вузлів машин із застосуванням покриттів. Для вирішення поставлених задач використовувалися фундаментальні положення технології машинобудування, сучасних методів керування якістю машинобудівної продукції, методології структурного аналізу і проектування, стандартизації, сертифікації, кваліметрії, методів статистичного контролю якості продукції, методів системного аналізу, а також узагальнення виробничого досвіду.

Експериментальні дослідження виконували на реальному технологічному обладнанні. Оцінку властивостей отриманих покриттів проводили сучасними приладами з використанням методів механічних, фізичних, триботехнічних, технологічних випробувань, металографічного і рентгеноструктурного аналізів, оже- і рентгенофотоелектронної спектроскопії, методів електронної мікроскопії, а також - методів теорії імовірності і математичної статистики.

Експериментальні дослідження базувалися на використанні стандартних методик з використанням контрольно-вимірювальної апаратури. Обробку результатів експериментальних досліджень виконували методом кореляційного аналізу із застосуванням сучасного програмного забезпечення.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Розроблено наукові принципи створення системи підтримки прийняття рішень про вибір матеріалу і технології нанесення покриття, які, на відміну від існуючих, використовують розроблену структурно-логічну схему та алгоритм технологічного забезпечення і стабілізації параметрів якості робочих поверхонь.

2. Науково обґрунтовано методологію прогнозування фізико-механічних характеристик поверхневого шару, використання якої, на відміну від стандартних методів, дозволяє реально оцінити показники якості покриттів, що залежать від розсіювання і кореляції властивостей, які визначають цю якість (пористість, міцність зчеплення покриття з основою, твердість тощо), і дає можливість об'єктивно оцінювати вплив технологічних факторів.

3. Отримано нові теоретичні й експериментальні дані, які дозволили: установити якісні і кількісні параметри впливу технології нанесення і складу багатокомпонентних газотермічних покриттів на властивості поверхневого шару; оцінити вплив технологічних режимів процесу нанесення детонаційних покриттів і термоциклічних навантажень на якісні характеристики деталей; оцінити вплив параметрів вакуум-плазмової технології нанесення дискретних покриттів на їх фізико-механічні характеристики; установити взаємозв'язок впливу режимів електроіскрового легування з трибологічними властивостями покриттів. Установ-лені взаємозалежності відкривають перспективу для успішного вирішення науково-технічної проблеми технологічного забезпечення експлуатаційних характеристик відповідальних деталей через інтегрований показник впливу технологічного керування якістю поверхні на стадії виконання операцій нанесення покриттів.

4. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень запропоновані конструкція і технологія нанесення теплозахисних покриттів на відповідальні деталі зі сталі і сплавів титану. При цьому встановлено, що вибір оптимальної товщини зовнішніх, проміжних шарів і пластичних підшарів впливає на довговічність створеної композиції. Застосування теплозахисних покриттів, отриманих за розробленою технологією нанесення, на деталях з титанових сплавів дозволяє значно (у 2,1...3,0 рази) збільшити їхній ресурс.

5. Науково обґрунтована і експериментально підтверджена можливість ефективного використання для оцінки якості нанесених зміцнювальних захисних покриттів запропонованих методів і апаратури, що дозволяють одержати чисельні значення локальних неоднорідностей напружено-деформованого стану тонких поверхневих шарів деталей, зносостійкості в умовах нестаціонарного тертя, амплітудної залежності внутрішнього тертя, електропровідності перехідних шарів, модуля пружності і коефіцієнта Пуассона, стійкості покриттів в умовах термоциклування.

6. Запропоновані та випробувані у виробничих умовах методи економічного обґрунтування вибору технології поверхневого зміцнення показали, що на відміну від існуючих, їх використання дозволяє не тільки вибирати технологію з мінімальною собівартістю процесу, але і максимальною довговічністю, що забезпечує експлуатаційну надійність деталей з покриттям. Такий підхід дозволяє при впровадженні у виробництво технології нанесення покриттів одержати значний економічний ефект.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дисертаційних досліджень апробовані і впроваджені на ряді машинобудівних підприємств, навчальних та науково-дослідних інститутів і центрів.

Впровадження результатів проводилося на основі договорів про науково-технічне співробітництво між Київським національним університетом технологій та дизайну і відповідними організаціями, що передбачали передачу результатів досліджень і рекомендацій у вигляді методик, алгоритмів і програмного забезпечення.

Зокрема, Харківським науково-дослідним інститутом технології машино-будування при розробці і впровадженні на ряді підприємств технологічних процесів зміцнення деталей шляхом нанесення покриттів були використані: пакет прикладних програм, які дозволяють здійснити оцінку, вибір і проектування технологічного процесу нанесення покриттів; рекомендації з використання нанесених методом електроіскрового легування дискретних покриттів; методика та апаратура для дослідження покриттів в умовах, що імітують експлуатаційні, а також методика оптимізації нанесення детонаційних покриттів за критеріями “міцність-вартість”. Сумарний економічний ефект від впровадження склав 400 тис. гривень.

На ВАТ “Дніпропетровський тепловозоремонтний завод” було апробовано і впроваджено ряд науково-практичних положень і рекомендацій, викладених у дисертаційній роботі. Зокрема, у конструкторсько-технологічному відділі прийнята до використання структурно-логічна модель прийняття рішення про прогнозування і реалізацію параметрів якості виробу при реновації з урахуванням технологічних, економічних і екологічних факторів, а у відділі технічного контролю впроваджено систему контролю фізико-механічних властивостей відновлюваних деталей з урахуванням експлуатаційної надійності і забезпечення необхідного ресурсу роботи. Загальний економічний ефект від упровадження вищенаведених заходів склав 125 тис. гривень.

На АНТК ім. О.К.Антонова (м. Київ) використання результатів дисертаційних досліджень дозволило при виготовленні і відновленні деталей авіаційної техніки з застосуванням зміцнювальних захисних покриттів забезпечити не тільки їх експлуатаційну надійність, але і знизити собівартість одиниці продукції. На підприємстві впроваджені методика і алгоритм вибору конструктором параметрів робочих поверхонь деталей з урахуванням фізико-механічних характеристик, а також структурна схема і механізм, що дозволяє здійснити оптимальний вибір технологічного методу зміцнення деталей. Економічний ефект від впровадження склав 74 тис. гривень.

За результатами дисертаційних досліджень у 26 Центрі (спеціальних робіт) Воєнстандарту Озброєння Міністерства оборони України були апробовані і впроваджені методики і рекомендації з вибору поверхневих зміцнювальних покриттів і методів їх нанесення, що дозволило проводити ремонт спецтехніки в польових умовах, а також методика й апаратурне забезпечення діагностики металевої поверхні без покриттів і з різними поверхневими зміцнювальними покриттями; методика та апаратура для виявлення стадії передруйнування поверхні навантажених деталей і вузлів техніки при її ремонті.

Крім зазначених організацій, результати роботи також пройшли апробацію і впроваджені зі значним економічним ефектом на ВО “Чернівцілегмаш” (м. Чернівці), ВО “Дарна” (м. Київ) і ТОВ “Тріз” (м. Суми). Загальний економічний ефект від впровадження склав понад 719 тис. гривень.

Основні положення і результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі при читанні курсів “Технологічні основи машинобудування”, “Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство”, “Методи і способи неруйнівного контролю якості продукції”, “Основи контролю і керування якістю продукції”, а також у курсовому, дипломному проектуванні і науково-дослідній роботі студентів на кафедрах інженерної механіки та метрології, стандартизації і сертифікації Київського національного универстету технологій та дизайну.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, що виносяться на захист, отримані здобувачем особисто.

Особистий внесок у роботах, виконаних у співавторстві, полягає в обґрунтуванні наукових напрямків, формулюванні мети роботи та задач досліджень, обґрунтуванні і проведенні експериментальних і натурних випробувань розроблених технологій і матеріалів, відпрацьовуванні рекомендованих технологічних процесів і устаткування, розробці наукових положень основ моделювання технологічних процесів нанесення захисних зміцнюючих покриттів, розробці основних принципів управління вибором конкурентноспроможних технологій нанесення покриттів, розробці математичних моделей поведінки нових матеріалів в умовах їх експлуатації, формулюванні новизни та основних висновків за результатами роботи, аналізі й узагальненні отриманих результатів досліджень.

Апробація результатів роботи. Результати досліджень, які отримані в дисертації, доповідалися на 39 Міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах, що проводилися в Україні і за її межами, а саме: “Технология и оборудование для переработки полимерных материалов” (Київ, 1996), “Ресурсо-, энергосберегающие и экологически чистые технологии в производстве деталей и композиционных материалов” (Київ, 1996), “Technologia i automatyzacija montazu '97, '98 ” (Жешув, Польща, 1997, 1998), “Технологическое обеспечение работоспособности деталей машин, механизмов и инструмента” (Київ, 1997), “Критические технологии, автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении”, (Алушта, 1997), “Прогресивна техніка і технологія машино-будування, приладобудування і зварювального виробництва” (Київ, 1998), “Технологии ремонта машин и механизмов” (Київ, 1998, 1999, 2000), “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (Кам'янець-Подільський, 1998, Київ, 1999), “Современные материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении” (Київ, 1999), “Композиционные материалы в промышленности” (Київ, 1999), “Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики” (Ялта, 1999, 2004), “Проблемы и пути реализации научно-технического потенциала военно-промышленного комплекса” (Київ, 2000), “Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций” (Київ, 2000), “Mechanical Engineering Technologies `01” (Софія, Болгарія, 2001), “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (Славське, 2002, 2004), “Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок” (Алушта, 2002), “Качество, стандартизация, контроль: теория и практика” (Ялта, 2002), “Современные проблемы подготовки производства, обработки и сборки в машиностроении и приборостроении” (Свалява, 2003, 2004), “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (Славское, 2003), “Прогрессивные технологии в машино-строении и приборостроении” (Запоріжжя, 2004), “Качество, стандартизация, контроль: теория и практика” (Ялта, 2004).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалася на XII міжнародному науково-технічному семінарі “Высокие технологии: тенденции развития” (Алушта, 2002), науково-технічному семінарі кафедри технології машинобудування і металорізальних верстатів Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” у 2004 році і науковому семінарі Київського національного університету технологій і дизайну у 2004 році.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи відображені в 61 публікації, серед яких монографія, 2 підручники, 2 брошури, 47 статей у спеціалізованих виданнях і збірках наукових праць, що входять до переліку ВАК України, 22 тези доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях і 5 статей у спеціалізованих виданнях за межами України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 434 сторінки, у тому числі 109 рисунків на 62 сторінках, 9 таблиць на 5 сторінках, 6 додатків на 90 сторінках і список використаних джерел, що включає 369 найменувань на 36 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність розглянутої проблеми, сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи, визначено її наукову новизну та практичну цінність.

У першому розділі проведено критичний аналіз вітчизняної і іноземної науково-технічної літератури, а також розглянуто досвід вітчизняних машино-будівних підприємств і закордонних фірм з використання зміцнювальних захисних покриттів при виготовленні і реновації машин і механізмів. Показано, що розмаїття умов експлуатації деталей машин і механізмів вимагає створення покриттів і технологій їх нанесення, що забезпечують одержання поверхневого шару зі стійкими фізико-механічними властивостями. Це, насамперед, відноситься до деталей, що працюють в екстремальних умовах підвищених температур, термо-циклуванні, фретинг-корозійного впливу тощо.

Окремими проблемами, пов'язаними зі створенням методів зміцнення, технології нанесення покриттів і оцінкою їх якості, займався цілий ряд дослідників, які зробили великий внесок у розвиток теорії поверхневого зміцнення деталей машин. Серед них Богуслаєв В.О., Борисов Ю.С., Внуков Ю.М., Гавриш А.П., Грабченко А.І., Долматов А.І., Євдокимов В.Д., Залога В.О., Захаров М.В., Ільюшенко А.Ф., Кальмуцький В.С., Клименко С.А., Копилов В.І., Костюк Г.І., Кравець І.А., Лялякін В.П., Мазур М.П., Новиков М.В., Ляшенко Б.А., Максимович Г.Г., Мовшович О.Я., Полевой С.М., Сєдих В.І., Сулима А.М., Суслов А.Г., Тарельник В.Б., Харламов Ю.А., Херман Г., Хокінг М., Шатинський В.Ф., Ямпольський А.М. Серед перерахованих авторів велика кількість представників української школи вчених-машинобудівників, праці яких широко відомі і високо оцінюються на світовому рівні.

Слід зазначити, що різноманіття деталей, складу покриттів та способів для їх нанесення, що використовуються при виготовленні та ремонті, ускладнює конструкторам та технологам вибір необхідного способу зміцнення. Створенню наукових основ вибору того чи іншого покриття, а також оптимальної технології поверхневого зміцнення значною мірою перешкоджає відсутність досить повної класифікації цих способів. Тому створення методів інформаційної підтримки вибору зміцнювальних захисних покриттів на основі створення банку даних є актуальною проблемою сучасного машинобудування.

Аналіз показує, що використання сучасних технологій нанесення зміцнювальних захисних покриттів дозволяє ефективно керувати нанесенням покриттів із заданими властивостями, що забезпечують максимальну міцність і довговічність за умов мінімальної вартості. При цьому фазовий склад, структура покриттів, їх механічні й експлуатаційні властивості корелюють, тому що вони є функціями технологічних параметрів процесу. Однак, якісно і кількісно оцінити залежність міцності і довговічності покриттів від технологічних параметрів процесу їх нанесення досить складна задача, яку можна успішно вирішити за допомогою розробки методики використання критеріїв міцності для керування технологічними процесами поверхневого зміцнення. Розробка методології формування параметрів поверхневого шару деталей повинна здійснюватися з урахуванням багато-критеріальної оцінки якості покриттів, а оцінка якості покриттів проводитися за сукупністю контрольованих технологічних параметрів.

Існуючі стандартизовані методи випробувань покриттів, у тому числі і жаростійких, мають ряд недоліків. У той же час існують окремі розробки, у яких, на основі проведених випробувань, зроблено спробу створення методики одержання якісних і кількісних характеристик жаростійких покриттів. Проте використання подібних методик обмежено відсутністю нормативної документації, що регламентує порядок проведення випробувань основних характеристик покриттів, а також достовірної інформації про якість нанесення покриття. Оцінка якості технології нанесення зміцнювальних захисних покриттів повинна базуватися на сучасних технологічних методах і апаратурному забезпеченні, що дозволяють з високою точністю і надійністю оцінити короткочасну міцність, міцність на розтягання і згин, визначення корозії покриттів тощо. На сьогоднішній день відсутня методика і комплекс діагностичної апаратури, що дозволили б виявити стадію передруйну-вання поверхні з покриттями, тому особливої уваги заслуговує розробка методики й апаратурного забезпечення для визначення електропровідності перехідних шарів і зносостійкості покриттів.

Фізико-хімічні процеси, що протікають при газотермічному (плазмовому) напилюванні покриттів, є основними факторами формування контактної зони, яка характеризується цілком конкретною адгезійною міцністю, складом і структурою перехідних шарів, а також міжфазною міцністю. Отримані в процесі напилювання ті чи інші характеристики міжфазної зони будуть основними факторами, що обумовлюють надалі стан покриттів і композицій у цілому. Визначення ролі й ефективності дії цих факторів з метою їх регулювання, вибору відповідного режиму технології напилювання, а також складу суміші дозволить у результаті забезпечити максимальну експлуатаційну надійність покриттів, що працюють за умов високих температур і навантажень.

Таким чином, усе вище викладене дозволило визначити коло невирішених теоретичних і практичних питань, пов'язаних з методологією вибору технології нанесення покриттів і оцінкою якості отриманого поверхневого шару.

У другому розділі представлено результати теоретичних досліджень, спрямованих на розробку принципів побудови нормативної бази комплексної оцінки якості нанесеного покриття та одержання залежностей, що дають можливість оцініти ступінь впливу основних властивостей на експлуатаційну надійність покриттів, які працюють в умовах термічних циклічних навантажень. Проведені дослідження ставили за мету одержати залежності для оцінки ступеня впливу на експлуатаційну надійність жаростійких покриттів таких властивостей як пористість, міцність зчеплення покриття з основою, мікротвердість, коефіцієнт термічного розширення. Зокрема, з використанням методів регресійного аналізу було отримано багатофакторну регресійну модель лінійного вигляду:

, (1)

яка дозволяє описати взаємозв'язок жаростійкості, як залежної змінної Y, з перерахованими вище властивостями покриттів , які були обрані як незалежні змінні (фактори) із урахуванням коефіцієнтів регресії , , , та вільного члену .

Структура математичної моделі, яка описує вплив властивостей жаростійких покриттів на їх експлуатаційну надійність, має вигляд:

Y = 3,89659+9,22759x2u3+2,52993x3, (2)

де x2 = 0,0321932 ( X₂ - 48,0625 ); Х₂ - міцність зчеплення покриття з основою; u3= 3,24389(x3³ + 0,0146209x3² - 0,702609 (x3 - 0,00373972 ); x3 = 0,00342906 ( X₃ - 608,375); Х₃ - мікротвердість.

Перевірка підтвердила адекватність отриманого рівняння регресії за критерієм Фішера, інформативність і стійкість отриманої моделі.

Як видно з рівняння регресії (2), найбільший вплив на жаростійкість покриття чинить взаємодія міцності зчеплення покриття з основою і мікротвердість, що сприяє їх використанню як основних характеристик при оцінці якості жаростійких покриттів.

Для оцінки впливу основних дефектів на якість нанесеного жаростійкого покриття запропоновано дефектність покриття визначати як імовірність випадання контрольованої характеристики за область її нижнього та верхнього нормативних значень. З урахуванням апріорної визначеності щодо характеру закону розподілів їх значень залежність для визначення дефектності має вигляд:

. (3)

Функція Лапласа визначається за стандартними таблицями, а коефіцієнт імовірнісної якості обчислюється за формулою:

, (4)

де - математичне очікування контрольованої характеристики; - середнє квадратичне відхилення контрольованої характеристики.

Наведені залежності справедливі для випадків, коли закон розподілу значень контрольованих характеристик підкоряється нормальному. Однак, у деяких випад-ках, як показали теоретичні дослідження, спостерігаються відхилення від нормального закону розподілу. Тому, при визначенні якості покриттів, розрахунок імовірності випадання контрольованої характеристики за область її нормативних значень необхідно здійснювати з огляду на фактичні закони розподілу. Для цього пропонується використовувати поправочні коефіцієнти на асиметрію та ексцес , що визначаються відповідно:

, (5)

, (6)

де - щільність нормального розподілу, визначена за стандартними таблицями.

З урахуванням введених виправлень залежність (3) набирає вигляду:

. (7)

Для проведення комплексної оцінки якості покриттів необхідно враховувати взаємозв'язок досліджуваних властивостей, які характеризують величину дефектів поверхневого шару. У цьому випадку розрахунок коефіцієнта імовірнісної якості необхідно проводити з урахуванням виправлення у вигляді коефіцієнта множинної кореляції R між контрольованою та іншими досліджуваними характеристиками:

. (8)

Тоді дефектність покриття за сукупністю досліджуваних характеристик варто визначати за формулою:

, (9)

де n - число контрольованих характеристик ; - імовірність випадання контрольованої характеристики за межі її нормативних значень і .

На основі аналітичних залежностей обґрунтовані принципи використання і розроблена розрахункова методика порівняльної оцінки якості нанесеного покриття за комплексом різних властивостей, що дає можливість проводити об'єктивний вибір покриттів, які відповідають усім висунутим вимогам. Отримані залежності можуть бути використані для визначення рівня дефектності з урахуванням взаємозв'язку досліджуваних характеристик, їхнього верхнього і нижнього нормативних значень та фактичного закону розподілу.

Для проведення комплексної оцінки якості жаростійких покриттів в роботі запропоновано структуру нормативного забезпечення, що регламентує методику проведення випробувань, реєстрацію й опрацювання даних, а також оцінку якості нанесення покриття за сукупністю властивостей, яка наведена на рис. 1.

Запропонована структура нормативного забезпечення комплексної оцінки якості забезпечить функціонування системи підтримки прийняття рішення при виборі матеріалу та технології нанесення покриттів. З метою практичної реалізації

розробленої нормативної бази комплексної оцінки якості жаростійких покриттів розроблено систему підтримки прийняття рішення щодо вибору технології нанесення покриття і подальшого контролю його якості, яка може бути застосована конструкторами та технологами під час проектування покриттів, визначення їх дефектності та здійснення порівняльного контролю їх якості. Блок-схему алгоритму вибору наведено на рис. 2.

Використання запропонованого алгоритму дозволяє врахувати велику кількість умов, які впливають на вибір матеріалу та технології нанесення покриття, вибрати покриття з максимально можливої кількості покриттів-кандидатів, зменшити ризик помилок при виборі, здійснити порівняльний аналіз якості покриттів за сукупністю їх характеристик.

Таким чином, використовуючи запропонований алгоритм, можна одержати оптимальну технологію нанесення покриття. При цьому необхідно зазначити, що результат роботи, значною мірою, залежитиме від формалізації завдання, тобто від того, наскільки точно визначено конструкторсько-технологічні, екологічні та економічні вимоги.

У розділі докладно висвітлені також питання, пов'язані з розробкою принципів, у відповідності до яких можна здійснювати порівняння різних видів покриттів і зміцнювальних технологій та виключити з них ті, котрі беспосередньо не підходять для проектованих покриттів. Для вирішення цієї задачі була розроблена база даних класів деталей, що підлягають зміцненню поверхні, і умов їх експлуатації, а також запропоновані структурно-логічні моделі, які враховують взаємозв'язок між технологічними вимогами до деталі і властивостями покриттів. На основі узагальнених баз даних, що включають інформацію про геометричну форму поверхні деталі, що зміцнюється, умови експлуатації, види, причини і наслідки зносу, розроблені табличні моделі, які встановлюють зв'язок класу деталі з факторами зовнішнього впливу, на основі яких здійснюється вибір оптимальної зміцнювальної технології і матеріалу покриття. У розділі також запропоновано хронологічну структуру відновлювано-зміцнювального технологічного процесу, що включає системи формування зміцнювального шару, виготовлення матеріалів для покриттів, а також системи оптимізації і підготовки технологічного процесу, використання яких дозволяє установити технологічну взаємодію всіх елементів, що впливають на процес.

У третьому розділі виконано комплекс аналітичних і експериментальних досліджень, в результаті чого розроблені нові підходи, які дозволяють на сучасному науково-технічному рівні оцінити залежність фізико-механічних характеристик покриттів від технології їх нанесення в умовах, максимально наближених до експлуатаційних. Так, зокрема, було запропоновано апаратуру і технологію проведення випробувань зразків з покриттями на короткочасну, тривалу статичну і циклічну міцність при ізотермічному та термоциклічному навантаженні в діапазоні температур 18...1500 ⁰С. Відмінною рисою розробленої методики і запропонованої установки (рис. 3), у порівнянні з існуючими, є можливість здійснення постійного контролю за станом поверхні зразка і фіксування деформацій, за яких відбувається відшарування і розтріскування покриття.

Момент руйнування покриття під час випробувань фіксувався за різким посиленням сигналу акустичної емісії. Деформацію, при якій з'являвся акустичний сигнал з різко підвищеною інтенсивністю, вважали критичною для випробуваної системи “основа - покриття” і за її величину приймали деформацію основи .

Експериментальні дослідження показали, что вимірювальна апаратура дозволяє виконувати до 10 вимірювань контрольованих параметрів за секунду з точністю ±0,1% при швидкості нагрівання зразка до 500 ⁰/с і швидкості охолодження до 300⁰/с. Проведені випробування показали достатньо високу надійність запропонованої апаратури і відтворюваність результатів експериментів. Наявність такої апаратури дозволяє у процесі створення жаростійких покриттів установити вплив технології їх нанесення на якісні характеристики поверхневого шару і прогнозувати експлуатаційну надійність зміцнювальних деталей.

На основі аналізу напружено-деформованого стану композиції з урахуванням різних значень коефіцієнта Пуассона основи і покриття, розроблено методику визначення механічних властивостей композиції “основа - покриття” при випробуванні всього лише одного зразка. У відповідності з цією методикою надійний візуальний контроль процесу деформування зразка забезпечується за допомогою оптико-електронний датчика. Два телевізійних мікроскопи при розтяганні основи дозволяють одержати на моніторі чітке зображення поверхні покриття на ділянках 1 і 2 (рис. 4).

Як видно зі схеми, при розтяганні зразка ці ділянки перемістяться на відстані Дх₁, Дх₂, Дz₁, Дz₂, відповідно. Позначивши через x і z координати ділянки 1 відносно ділянки 2 поперечну е^П_х і подовжню е^П_z деформації покриття обчислювали за виразами: е^П_х = (-Дх₁ - Дх₂) / х і е^П_z = (-Дz₁ - Дz₂) / z . Аналогічно при розтяганні зразка вимірювали і деформацію основи.

В результаті проведених досліджень отримані залежності, які дозволяють при прикладенні навантаження до торців основи визначити нормальні напруги в покритті і дотичні напруження в площині адгезійного контакту. Зокрема, вирази для обчислення характеристик пружності мають наступний вигляд:

(10)

(11)

де - коефіцієнт Пуассона покриття; - коефіцієнт Пуассона основи; е_z - відносна подовжня деформація основи; 2Н - товщина основи; h - товщина покриття.

Запропонований розрахунково-експериментальний метод визначення пружних і міцністних властивостей жаростійких покриттів при дії термомеханічних навантажень, на відміну від існуючих, дозволяє за результатами випробувань, обчислювати напруги розтягання в будь-якій точці покриття в залежності від деформації основи, характеристик пружності основи і покриття, а також геометричних розмірів основи і покриття.

Створення ефективної методики і апаратури, що дозволяє на стадії виготовлення відповідальних деталей з покриттями та у процесі їх експлуатації оцінити стан поверхневих шарів на наявність мікротріщин і локальних неоднорідностей тонкого поверхневого шару деталей з покриттями, є однією з актуальних задач технології машинобудування. У розділі для рішення цієї задачі використовується енергетичний метод сенсорної діагностики, сутність якого полягає в оцінці аномалій розподілу поверхневого потенціалу над місцями локалізації структурно-фазових неоднорідностей.

Для оцінки зв'язку поверхневого потенціалу з факторами, що визначають напружено-деформований стан, запропоновано використовувати метод прямого вимірювання різниці поверхневих потенціалів з іонізацією повітряного середовища між вимірювальним електродом і контрольованою поверхнею деталі, що апаратурно реалізовано в створеному діагностичному комплексі контролю напружено-деформованого стану поверхневих шарів деталей. Процес вимірювання параметрів неоднорідностей запропоновано виконувати в послідовності, що наведена на рис. 5.

Розроблено алгоритми виявлення і вимірювання деформацій, що дозволило обґрунтувати принципи побудови нелінійного функціонального перетворювача -вимірника структурно-фазової неоднорідності і визначити шляхи технічної реаліза-ції локальних вимірників деформацій металевої поверхні. Також обґрунтовані принципи функціонування і структура блоку обробки багатопараметрової інформації слідкуючих локальних вимірювачів деформації і структури пристрою зв'язку.

На основі отриманих результатів створено комплекс апаратури для контролю напружено-деформованого стану поверхневих шарів деталей гарячої частини газотурбінних двигунів. Комплекс дозволяє визначати неоднорідності з відносною мікродеформацією 0,5Ч10^-3…1,0Ч10^-2, на глибину поверхневого шару 0,1…5,0 мкм, з діапазоном площин неоднорідностей 10²…10⁶ мкм² і шириною їх меж ? 100 мкм, що виходять на поверхню. Час виявлення неоднородностей складає 0,5 с, а кількість градацій густини речовини неоднорідності - 19.

...